В організмі людини харчові речовини перетворюють у хімічну неспецифічну суміш, з якої формують нові специфічні для нього сполуки. Шляхом гідролізу макромолекул у шлунковому тракті, синтезу внутрішньоклітинних ферментів, які руйнують чужу генетичну інформацію, чужі для організму речовини нейтралізуються.

Засвоєнню макромолекул їжі має передувати складний процес попередньої обробки, завдяки якій утворюють низькомолекулярні сполуки, які можуть резорбуватися і включатися в обмін речовин.

Суть травлення у тому, що після так званого механічного оброблення (в роті, шлунку і кишечнику) відбувається гідроліз білків, жирів та вуглеводів. Спочатку полімери перетворюються на олігомери, а потім вже на мономери – амінокислоти, моносахариди, жирні кислоти та моногліцериди. Усі баластні речовини, які не гідролізуються у шлунку, надходять до товстого кишечника, де за допомогою мікроорганізмів додатково розщепляються, причому частина цих речовин живить мікрофлору кишечника. При відхиленні від традиційної їжі робота шлунково-кишкового тракту може гальмуватися.

Зростання ділової активності та спектру інтересів людей змушує їх нехтувати небезпекою пошкодити органи травлення та організму загалом. Щоб запобігти негативним наслідкам у харчуванні, необхідно науково обґрунтувати і створити такі продукти широкого призначення, які без витрат зайвого часу на їжу забезпечили б організм людини енергетичними та біологічно активними компонентами.

Такі продукти вперше були випущені фірмою “Дьоллер”у 1997 році і це започаткувало новий підхід до харчування. Пізніше таку ідею почав втілювати у своїх продуктах французький концерн „Данон” – у йогурті „Активія з пшеницею”. Однак ці продукти суттєво відрізняються від розробленого нами продукту масовою часткою зернової складової. У згаданих продуктах міститься не більше 3-4% зерна: його використовують як загущувач, наповнювач, як джерело вітамінів, а не для підвищення калорійності.

За необхідності протягом декількох хвилин наповнити організм калоріями і біологічно активними речовинами і для кращого засвоєння така продукція має бути виготовлена як напій.

Вживання соків та напоїв на душу населення постійно зростає. Ці продукти мають високі смакові якості, тамують спрагу і є джерелом вітамінів. Однак їхня енергетична цінність низька. Тому треба було розробити технологію таких напоїв з рослинної сировини, які б, крім згаданих якостей, мали високу енергетичну цінність.

Найтехнологічнішими енергетичними компонентами є зерно злакових та бобових культур, яке на 60-70% складається з вуглеводів і на 10-20% з білка. За амінокислотним складом ця сировина наближається до „ідеального білка”, а масова частка білка та амінокислот зерна бобових та злакових культур в десятки разів перевищує цей показник у фруктів та овочів. Зерно злакових та бобових культур є основним джерелом вітаміну Е та вітамінів групи В, містить значну кількість макро- та мікроелементів.

Вуглеводи зерна на 90% складаються з крохмалю. Крохмаль зерна неоднорідний, а кількість у ньому амілози (% на 100 г) коливається у широкому діапазоні:

пшеницяозимаіярова.......18–25

житоозиме …………………...18–22

ячміньозимийіяровий……..20–23

овес яровий......................... ..18–19

просо...…...............................20–23

рис……................................ …0–25

 гречка……………………………22–23

горох................................... ..35–72

 квасоля..................................... ..26–30

Після порівняльного біохімічного аналізу зернобобових культур,  ми зупинилися на традиційно українській сировині – зерні гороху, а також на дієтичній культурі – зерні вівса. Напій, виготовлений на основі фруктових та овочевих соків з додаванням технологічно обробленого зерна бобових та злакових культур, матиме високу енергетичну та біологічну цінність.

Такий напій має цілком замінювати один з прийомів їжі денного раціону, бути рідким, не потребувати додаткового приготування, бути зручним для вживання у будь-який час дня. Враховуючи, що добова калорійність раціону людини становить 1500-2500 ккал, за чотириразового харчування енергетична цінність одного прийому їжі в середньому – 370-600 ккал. Тому, складаючи рецептуру, ми виходили з того, що калорійність разової порції має міститися в даному діапазоні. Цього можна досягнути введенням до фруктових чи овочевих соків зернової складової масовою часткою 30%. Порівняно з вихідним соком калорійність отриманого напою зросте втричі.

Однак, просте змішування соку із зерновою складовою суттєво позначиться на структурно-механічних характеристиках суміші, а теплове оброблення призведе до утворення твердого золю. Тож, щоб зробити напій рідким, подрібнене в борошно зерно треба обробити ферментними препаратами. Таке оброблення не лише покращить консистенцію готового продукту, а й полегшить засвоєння макромолекул їжі завдяки їх гідролізу до олігомерів та низькомолекулярних сполук.

На першому етапі роботи досліджували кінетику гідролізу крохмалю залежно від виду ферменту і технологічних режимів оброблення. Для гідролізу крохмалю брали такі амілолітичні ферменти: фруктаміл FNTі амілосубтилін Г10Х.

Препарат амілосублілін містить α–амілазу, ендопептидазу, ендоглюконазу (α–амілазна активність – 582 од/г). Оптимальні умови проведення гідролізу: рН=7 і температура 70-75ºС. Активність ферментного препарату фруктаміл FNT по α–амілазою–600 од/г. Оптимальні умови проведення гідролізу рН=4 і температура 50-55ºС. Згідно з властивостями ферментних препаратів, фруктаміл додавали до фруктово–зернової суміші, а амілосубтилін – до овочево–зернової.

Для визначення впливу масової частки крохмалю на консистенцію напою вивчали зміну його щільності за різних умов. Суміші готували з перерахунком масової частки горохового борошна на крохмаль (від 1 до 13%). Після введення до напою 30% горохового борошна у ньому міститься 13% крохмалю. Приготовані суміші нагрівали на водяній бані до температури клейстеризації, охолоджували і вимірювали їх щільність за допомогою денсиметрів. До охолоджених сумішей додавали фермент, витримували на водяній бані за температури, оптимальної для дії ферменту протягом 1,5 години, а потім знову охолоджували і вимірювали щільність.

Наведені дані свідчать, що для зразків з масовою часткою зернової компоненти 30% і, відповідно, 13% вмістом крохмалю, отримати продукт рідкої консистенції за даною технологією неможливо.

За Еверсом, крохмаль у кислому середовищі гідролізується в умовах швидкого підігрівання за 15 хвилин за постійного перемішування. Тобто на процес протікання гідролізу впливають швидкості підігрівання і перемішування. Під час підігрівання із швидкістю 2 ºС/с процес гідролізу відбувається повільно, і в напої залишається значна масова частка негідролізованого крохмалю. Зі зростанням підігрівання вдвоє гідроліз відбувається швидше і крохмаль гідролізується на 85,2% (рис.2). Зростання швидкості підігрівання більш ніж вдвічі ускладнює технологічний процес, тому що напої починають пригорати.

Рис.1.Зміна щільності фруктово–горохових сумішей залежно від масової частки компонентів.

Рис.2 – Вплившвидкості підігрівання на вміст крохмалю в енергетичному напої.

 Проведенідослідження дають підставу запропонувати таку технологію гідролізу: подрібнений горох треба змішати з соком, додати фермент, витримувати на водяній бані за 55°С одну годину, потім перенести ємність із сумішшю на киплячу водяну баню і витримувати 15 хвилин, постійно інтенсивно переміщувати. Охолодивши гідролізовані взірці виміряти їх щільність. При проходженні ферментного гідролізу протягом одної години щільність суміші не змінювалася, а при її нагріванні до 100°С (кислотний гідроліз) кінетика зміни щільності суміші мала вигляд, показаний приведений на рис. 3.

Рис.3. – Змінащільності фруктово–горохової суміші протягом кислотного гідролізу.

Тривалість першої фази гідролізу (витримування на бані за оптимальної температури дії ферменту) залежить від масової частки та активності введеного ферменту. На цій стадії гідролізується не більше 30% введеного в реакційне середовище крохмалю. У той же час вона є невід’ємною підготовчою стадією подальшого гідролізу крохмалю для отримання напоїв hslrj] консистенції. Щільність кінцевого продукту із застосуванням вказаної технології перевищує щільність води лише на 10 %.

Для напоїв однією з основних характеристик є їхнє плинність, яка описується реологічними показниками. Консистенція купажованих продуктів на основі фруктових та овочевих соків з обробленим зерном злакових та бобових культур пов’язана із зміною реологічних властивостей сумішей, під час різного технологічного оброблення.

Фруктові та овочеві соки без м’якоті містять переважно розчинні сухі речовини і належать до ньютонівських рідин, динамічна в’язкість яких залежить лише від температури і тиску. Ньютонівська поведінка властива рідинам, у яких енергія в’язкого тертя обумовлена зштовхуванням невеликих молекул.

Соки з м’якоттю є колоїдними суспензіями, які містять речовини із значною молекулярною масою та просторовою структурою, – їх відносять до неньютоновських рідин.

Динамічна в’язкість неньютоновських рідин змінюється при заданій температурі і тиску і залежить від інших факторів.

Фізична поведінка колоїдних суспензій пояснюється їх структурою. Вміст деяких сполук у желеподібному стані запобігає плинності рідини при напруженнях, менших від меж текучості. Для надання напоям, що містять крохмаль, необхідних структурно-механічних властивостей, у підготовленій суспензії ферментативно розріджували крохмаль. Процес розрідження забезпечує переведення зерен у розчинний стан і часткове руйнування зв’язків у крохмальному ланцюжку, який складається з глюкозидних решток. Щоб визначити вплив крохмалю зерна бобових культур на текучість напою, визначили його реологічні властивості на всіх стадіях технологічної переробки.

Псевдопластичні рідини (до яких належать напої із значною масовою часткою крохмалю та інших біополімерів) не переходять межі текучості. Реологічне рівняння таких рідин – рівняння Освальда-де-Віля – виглядає так (1):

δ = kγ^m, (1)

де δ – напруга зсуву; γ – швидкість зсуву або градієнт швидкості;

 k – міра консистенції рідини: що вища в’язкість рідини, то більше k;

 m – характеризує міру неньютонівської поведінки матеріалу: що більше значення m, то виразнішими є його неньютоновські властивості.

Ефективну в’язкість можна визначити за рівнянням (2):

μ_еф= k γ^m-1  (2)

 
Для псевдопластичних матеріалів m < 1. Аналіз рівнянь (1) і (2) свідчить, що ефективна в’язкість зменшується із зростанням швидкості зсуву.

Структурно–механічні показники висококалорійних напоїв визначали на ротаційному в’язкозиметрі „Реотест-2”. Об’єктами досліджень були суміші яблучного соку з гороховим борошном або з крохмалем. Масова частка горохового борошна складала 30%: як вже відзначалося, у перерахунку на крохмаль це 13%. Відповідно, масова частка крохмалю у суміші також була 13%. Показники для кожного взірця суспензії брали на трьох етапах: приготовлені суміші, після клейстеризації і після ферментативного оброблення. Враховуючи величину активної кислотності сумішей та оптимуми дії ферментів, використали фермент амілотичної дії – фруктаміл FНТ.

Крива плинності приготованої горохової суміші зображена на рисунку 4, а повна реологічна крива для цього взірця – на рисунку 5.

Аналізуючи показані на рисунках 4 і 5 залежності, можна зробити висновок, що приготована суміш яблучного соку з борошном гороху належить до рідкоподібних рідин. Отримана крива плинності має характерний для псевдопластичної рідини вигляд. На повній реологічній кривій дослідженого взірця присутні всі відповідні зони і перехід до ньютонівської плинності.

Рис. 4. Крива плинності для приготованої суміші гороховогоборошнаі яблучного соку.

Рис. 5. Повна реологічна крива для приготованої суміші гороховогоборошнаі яблучного соку.

Після клейстеризації консистенція досліджуваного взірця відчутно змінюється. Результати вимірювань і розрахунків показані на рисунках 6 і 7.

На кривій плинності й повної реологічної кривої клейстеризованої суміші, яблучного соку з гороховим борошном виокремлені зони, характерні для неньютоновських рідин псевдопластичного типу. На відміну від неклейстеризованої суміші на повній реологічній кривій немає зони деформації типу повзучості. Для такого стану суміші величина напруги зсуву і динамічної в’язкості зростають відповідно, на 2-3 порядки. При цьому колоїдний стан суспензії змінюється – переходить із золю в гель. Текучість продукту значно зменшується. Однак ця стадія є підготовчою перед розрідженням суміші завдяки руйнуванню зерен до олігосахаридів. На останній стадії процесу необхідно надати продукту близьких до неньютоновських рідин властивостей.

Рис. 6.Крива плинності для клейстеризованої суміші горохового борошна і яблучного соку.

Рис. 7. Повна реологічна крива для клейстеризованої суміші гороховогоборошна і яблучного соку.

Криві для суспензії після ферментативного оброблення аналогічні кривим для приготованої суспензії. Щоб довести вирішальний вплив крохмалю на реологічні показники суміші, одночасно досліджували модельний розчин яблучного соку з крохмалем. Отримані дані для модельного зразка мають аналогічний характер. Отже, за використання ферментів з амілазною активністю можна зруйнувати крохмальні зерна і надати висококалорійній суміші текучості напою.

За розробленими нами режимами ферментативного гідролізу крохмалю оброблено клейстеризовану суміш і визначено її реологічні показники. Доведено, що після розрідження суміші шляхом розщеплення крохмальних зерен до олігосахаридів реологічні показники мають близькі до вихідних значення, але без клейстеризації. При цьому консистенція приготованого напою має одноріднний, гомогенний характер.

Разом з вязкістю напоїв досліджували зміну вмісту крохмалю. На рис. 8 показано значення масової частки крохмалю (%) для енергетичних напоїв з гороховим наповнювачем, приготованих за згаданими схемами (з проведенням клейстеризації та без неї).

Рис. 8. Вплив умов розрідження крохмалю на
змінуйого масовоїчасткиуенергетичних напоях на основі гороху:

1– фруктовий і овочевий енергетичний напій післязмішування компонентів;

2–фруктовий енергетичний напій після витримування з ферментом;

3– фруктовий енергетичний напій після теплової обробки;

4–овочевий енергетичний напій після витримування з ферментом;

5 – овочевий енергетичний напій після теплової обробки

 Перебіг технологічного процесу розрідження крохмалювпливає на його глибину. Після ферментативного оброблення неклейстеризованої приготованої суміші протягом одної години розріджується відповідно 18,2 % и 23,3% крохмалю фруктового та овочевого напою. А після ферментативної обробки клейстеризованої суміші ці показники становлять всього 2,3 % і 2,8 %. Теплове оброблення інтенсифікує процес розрідження крохмалю. Так, у напоях, приготованих без клейстеризації розріджується 77,3 % і 85,2 % крохмалю, а в клейстеризованих зразках – 34,7 % і 31,3 % відповідно. У результаті визначення в’язкості та масової частки крохмалю у напоях встановили, що гідроліз без клейстеризації дає змогу значно зменшити у напоях вміст високомолекулярних біополімерів та отримати напій з потрібними характеристиками. Цей напій швидко засвоюватиметься організмом людини, завдяки частковому ферментативному розщепленню: утворені олігосахариди не будуть перевантажувати підшлункову залозу і напій матиме необхідну рідку консистенцію.

Процес гідролізу складно контролювати методами хімічного аналізу. Тому для оцінювання ефективності ферментативного розщеплення крохмалю поряд з вимірюванням в’язкості запропоновано дисперсійний аналіз суспензії методом седиментаційного аналізу.

Частинки вільнодиспергованих мікрогетерогенних систем не можуть брати участь у тепловому русі через значну масу. Їх пряма та зворотна седиментація описується рівнянням Стокса, використовуючи яке можна розрахувати розміри частинок залежно від швидкості їх осідання.

Побудова інтегральної кривої розподілу частинок за радіусами здійснювалося на основі розрахунку масової частки окремих фракцій за рівнянням (3):

Q_i = m_i/m_max(3)

де m_i, m_max – маса частинок даної фракціїтазагальна маса всіх частинок відповідно.

         Інтегральна крива дає змогу визначити масову частку фракцій у процентах. Найімовірніший еквівалентний радіус визначали з диференціальної кривої розподілу, яку отримували при обробленні інтегральної кривої.

Досліджували за допомогою седиментаційного аналізу зразки суспензій, приготованих з яблучного та морквяного соку з додаванням до них горохового борошна. Суспензію досліджували безпосередньо після змішування компонентів (горохову суспензію – до оброблення), після ферментативного її оброблення (ферментовану горохову суспензію) і після клейстеризації (клейстеризовану горохову суспензію). Результати вимірювань для суспензій після змішування компонентів у вигляді інтегральної та диференціальної кривих показані на рис. 9, 10.

Криві клейстеризованої горохової суспензії подібні до кривих для горохової суспензії до оброблення, але відрізняються за кількісними показниками.

Для ферментованої горохової суспензії інтегральна та диференціальна криві зображені на рис. 11, 12.

За допомогою диференціальної кривої можна обчислити відносну кількість частинок певного розміру. Процент різноманітних фракцій частинок визначали так: розбивали ділянку під диференціальною кривою розподілу на відрізки однакової величини та визначали площу отриманих трапецій. Сума площ всіх цих трапецій складає 100%, а варіювання радіусів частинок суспензій дає змогу визначити, який процентний вміст частинок з таким радіусом.

Рис.9.Інтегральна крива розподілу для горохової суспензії до обробки.

 Рис.10. Диференціальна крива розподілу для горохової суспензії до оброблення.

Проведені дослідження та розрахунки дали змогу отримати співвідношення фракцій для різноманітних зразків (табл.1).

Згідно з результатами наведеними у таблиці, у гороховій суспензії до оброблення найвищий вміст фракцій частин в процентному відношенні від 20 до 40 мкм, тоді як в клейстеризованій гороховій суспензії більший вміст частинок з діаметром від 40 до 60 мкм, а у приготованому напої (ферментованій гороховій суміші) взагалі немає великих частинок і найвищий вміст частинок фракції від 20 до 40 мкм, а також значний вміст частинок фракції радіусом нижче 20 мкм.

Рис.11.Інтегральна крива розподілу для клейстеризованої горохової суспензії.

Рис.12. Диференціальна крива розподілу для клейстеризованої горохової суспензії.

Проведений седиментаційний аналіз дав змогу розробити режими ферментативного розщеплення крохмалю. Використовуючи фруктаміл для яблучного соку та амілосубтиліну для морквяного, ферментативний гідроліз проводили протягом години. Рівень дисперсності біополімерів після ферментативного оброблювання зменшується майже в півтора разу, що дає змогу отримати стабілізовані висококалорійні енергетичні напої.

 Таблиця 1

Значення діаметрів крохмальних зерен
для горохового напою на різних стадіях оброблення

Дослідження дають підстави рекомендувати наведену нижче технологічну схему для приготування енергетичних напоїв на основі гороху. Підготований яблучний або морквяний сік отримують за традиційному технологією, відповідно до рецептури, змішують з борошном гороху чи вівса. Додають фермент (фруктаміл або амілосубтилін). Перемішування і ферментацію проводять одночасно у резервуарі з механічною мішалкою холодним способом. Ферментований напій гомогенізують, стерилізують, охолоджують, перекачують у проміжний резервуар та розливають. Отриманий таким чином цільовий продукт – це натуральний замутнений напій на основі соку темно-жовтого або помаранчевого кольору.

Козонова Ю.А. Тележенко Л.Н.
ОНАХТ